第三节：气候系统变暖和极端事件在线视频

同学们 下一节的题目叫

气侯系统变暖和极端事件

这一节主要介绍

由于人类生产活动排放温室气体和各种化学物质

以及人类不合理的土地利用等等

排放温室气体造成全球变暖

它的科学道理 它的历史沿革

以及它的影响会造成什么样的极端天气气侯事件

第五次评估报告100多万字

很厚的一本科学报告

那么加上第二 第三工作组的报告

摞起来很厚

科学家做了大量的工作

但是最大的难度就是把这样如此巨厚的科学文件

最后以三句话来表现出来

这三句话给了我们人类非常重要的三个关键信息

第一句话他说 “人类对气候系统的影响是明显的”

IT is clear 是显而易见的

这个人类对气候系统的影响是指

人类活动排放温室气体

以及土地利用变化等造成的影响 是毋庸置疑的

第二句话是“

人类对气候的干扰越大 则面临的风险越高

受到的影响也更加广泛和不可逆”

那么面临的风险是什么意思呢

是我们人类社会面临的风险 就更高了

我们受到的影响有些是很大

有些甚至不可逆的

比如说由于人类排放温室气体

造成的海水 海洋变暖

海平面上升

即便现在我们不排放温室气体

那么海平面上升还持续上千年的时间

所以说这个过程是不可逆的

第三句话说“但是我们还有希望”

如果我们采取措施限制气候变化

我们还是有可能建立一个更加繁荣、可持续的未来

我们的子孙后代

还可以在这个绿色星球上很好的生活

我们看一看 发生了哪些变化

首先在气候系统内部

我们科学家根据精确的器测资料

测量到五大圈层的变化

比如大气圈 说过去三个连续10年

暖于1850年有气象记录以来的任何一个10年

这三个10年在我这个图里面你可以看到

就是第一个10年 第二个10年 第三个10年

连续三个10年 一个10年比一个10年高

而且我们也知道2014和2015年全球年平均气温

2015年达到了有气象记录以来最暖的一年

那么这个记录是靠证据来自于多项

并且独立观测到的气候系统的各个要素所证明了的

这个图里面显示

气候系统包括大气圈 水圈 冰冻圈

以及岩石圈 生物圈五个圈层

你看所有箭头无论向上 向下都表示变暖

你比如说这个地方说海冰的范围在下降

就是海冰的范围在缩小

说明开放的水变多了

冰冻圈就变暖

再比如说海洋表面的温度上升

说明水圈则变暖

再比如说地表上空 陆地上空的温度箭头向上 上升

大气圈则变暖

再比如说冰川

它的冰量体积在下降

说明它冰冻圈在变暖

所以这些东西则证明整个气候系统在变暖

在水圈里面我们可以看到

海洋的热含量增加

这个里面五套数据弥补了它的不足

你可以看到自上个世纪中叶以来

海洋热含量逐渐上升的

其中有一个数据说

从1971年到2010年

海洋上层的热含量可能增加了17x1022焦耳

而且说海洋上层热含量增加的比较慢

这和过去1998年到2013年这个期间

全球气候变暖的速率在减小

有一定的关系

水圈

我们也得到了一个非常令人兴奋的一些资料

说气候系统增加的纯能量中到哪里去了

分别被水圈等吸收了

你比如说这个里面给出了

我们多余的热量哪里去了呢

说海洋吸收了93%

其中这个上部海洋是指表层

上部700米的海洋吸收了60%的热量

700米以下的海洋大约吸收了33%的含量

这样100减93 还有7%

这7%哪里去了呢

3%被冰冻圈吸收

使得冰冻圈融化

3%被陆地生态系统吸收

陆地生态系统发生了变化

只有1%用来加入了大气圈

我们全球地表平均温度

在过去百年当中上升了0.8到0.9度

我们再看看冰冻圈

1979年以来 北极的海冰范围明显缩小

冰冻圈变暖了

而且它缩小的速率是这样的

它说1979年到2012年北极年平均海冰的范围

以每10年减少3.5%到4.1%的比率平方公里

这样的速率来减小

那么冰冻圈另外一个方面

就是山地冰川和南极冰盖 格陵兰冰盖

我们说全球山地冰川的冰量的损失也可能增加

给了两个数据 一个说1971年到2009年

每年损失的冰量是226个Gt

到了1993年到2009年

其中后面的这十来年变成了275个Gt每年

量是增加的

同样的道理

格陵兰冰盖和南极冰盖

它的冰量的损失也是加速的

比如格陵兰冰盖

它的冰量的损失从1992到2001年

是每年三四个Gt大幅度的增加

到2002到2011年的215个Gt

这数量级的增加

说明南极冰盖和格陵兰冰盖一样

都在迅速的冰量减少

什么原因造成的呢

我们认为是大气中的温室气体造成的

温室效应造成的

这是主要的原因

那么这个记录我们在目前的科技界唯一的一个来源

就是来自于南极冰盖和格陵兰冰盖的冰芯里面测到的

所谓冰芯就是在南极冰盖 格陵兰冰盖

通过特殊的钻具提取一个柱状的冰体

从底部一直提上去

然后我们根据现代化的测试工具

测量它里面的气泡和各种杂质

确定年龄确定不同时代的冰类气泡里面的

甲烷 二氧化碳等温室气体

看一下这个图

我们看一下就是说这个图是从南极洲

就是冰穹C这个顶部

还有欧洲共同体各国联合起来打的一个冰芯

它得到了至少过去80万年以来

大气圈当中 古大气圈当中

二氧化碳浓度变化的规律

你看这个图

我们说过去的80万年

这个横坐标是800

乘上一个1000 就是80万年

你可以看一看

它是由我们称为一个 两个 三个

四个 五个 六个 七个八个旋回

大概平均下来每10万年一个旋回

这个正好是地球绕太阳旋转这个轨道

10万年一个周期的变化造成的

那么我们得到这个年平均的

2014年年平均的浓度达到的一个数值

特别是二氧化碳和工业化之前比的话 增加了41%

与原来的280左右增加到了现在的将近400

那么二氧化碳也好 甲烷也好

都是重要的温室气体

它在一定量的时候

它是气候保持一个比较平和 可持续的一个状态

当二氧化碳在大气中急剧增加的时候

会产生温室效应

温室效应是物理学家发明的

早在1824年法国物理学家傅立叶

就提出了温室效应的概念

他说太阳辐射是地球能量的主要来源

地球的温度并没有持续上升

那么地球也必须把同等能量值的能量反射回太空

这样才可以保持行星是一个能量平衡、收支平衡的状态

在计算被反射回太空的能量时

得到的地球温度是零度以下

而不是实际观测到的现在大约正15度左右

他们感到很纳闷

他们假设大气层作为一个保暖层

保存了地球热量 使得长波辐射不能射出

所以傅立叶把这一个假设称为温室效应

形象的比喻大气层就像一个玻璃罩一样

阻止了红外辐射 也就是长波辐射的反射

1949年爱尔兰科学家丁德尔制造了分光光度计

它可以测量各种气体对辐射的吸收作用

他发现氧气 氢气 氮气

在空气中的主要成分并不吸收太阳光线

所以太阳光线进出大气圈

在这些气体里面来去自由

但是二氧化碳 甲烷 氧化亚氮和水汽等气体

它不阻挡短波辐射的进入

但是当长波辐射反射的时候

你大气圈当中的二氧化碳 甲烷 氧化亚氮和水汽

却能够吸收红外辐射

保存的热量造成了温室效应

这正好是傅立叶二十几年前谈到的温室气体

所以我们把二氧化碳 甲烷 氧化亚氮和水汽称为温室气体

我要特别强调水汽叫做vapor

它是温室气体

而水蒸气steam 它不是温室气体

那么这就涉及到一个碳

我们认为温室气体里面碳是元凶

甲烷也好 二氧化碳也好

碳是占主要成分

所以IPCC第五次评估报告

第一工作组给了一个最新的结果

他是1750年到2011年

也就是人类工业化以来到2011年期间

化石燃料燃烧和水泥生产

释放大气中的二氧化碳排放了大概375Gt的碳

另外毁林和土地利用变化也释放了180个Gt

加起来是555个Gt

那么这是收入 哪里去了呢

三分天下

其中大气圈拿走了250个Gt

海洋吸收了155个Gt

自然生态系统吸入了150个Gt

那么大气圈这250个Gt尽管处于动态变化之中

它的增加造成了温室效应

使得全球变暖

当然这有一个小故事了

我们怎么知道

过去几十年 几万年 几十万年前古大气的成分呢

世界上只有一种解释就是冰芯

这位专家手里面拿的这个就叫做冰芯

他是通过一种特殊的钻具

在南极冰盖和格陵兰冰盖钻取的冰体的样本

那么这个是上个世纪60年代开始

法国和前苏联专家在苏联东方站打钻的一个实体照片

我们知道所谓冰川和冰盖

这个冰川 冰体是年复一年的降雪累积

不经过相变

在重力作用下雪演变成了冰川冰

在演变成冰川冰的过程当中

你可以看到空气被裹挟到气体里面

先经过密实化作用

到了后期的话

就被完全封闭到冰体之间

你可以看看这个冰体

这个冰里面就有很多bubble 很多气泡

最后它会压到晶体的晶界线

晶体颗粒的晶界上

当你把这个冰芯融化的时候

比如说你拿一杯水

你把这个冰芯放冰川 冰体放进去

你就可以听见噼里啪啦 噼里啪啦的响声

这是高压气泡释放古大气的一个证据

科学家说这很好

这我们能够知道过去大气中的气体是个什么样

所以这批科学家 Claude Lorius他们这一批科学家

还有Dansgaard 、Oeschger这些人

他们的共同努力在上个世纪80年代

他们通过超恒量分析获得了过去几十万年

进而获得了过去80万年古大气中二氧化碳浓度的变化

以及和全球变化做了解释

这个图显示的是晶体界面之间各种杂质

包括外太空来的很多微粒都能表现出来

所以我们说 做一个总结

就是人类活动的气候的总体的影响是增暖的

我们做了这么一个表 这个表我们叫辐射平衡

这里面这个表看左面

这一部分是人类活动长寿命的气体

他是经过充分混合的

这一部分是短寿命的气体

这一部分的话是太阳光照的变化

那么我们可以看到

我们以临线作为中心线

所谓的radiative forcing 我们称之中文翻译成辐射强迫

它单位是每平方米瓦

在下面可以看到 每平方米瓦

这是自1750年以来

我们可以通过冰芯等等定年可以得到

过去200多年以来

我们可以看一看

这个二氧化碳它影响的温室效应的辐射强迫

大概是1.68每平方米瓦

它是最大的一个量

这个中线右面都是正的辐射强迫 说明变暖

它的左面是负的辐射强迫 是变冷

它们二者代数和总的结果是变暖

总体上是增暖

从下面这个红点来看

最下面是1950

从1750年到1950年 两百年

你可以看到辐射强迫

总的大概增加0.6左右 0.57 0.6左右

当1980年过了30年翻了一番

又到了2011年 大约又过了30年

又从1.25变成了2.23

又几乎翻了一番

说明全球变暖是加速的

所以这个图是我们全球气候变暖最重要的一张图

这从IPCC成立以来

第一工作组在第一 第二 第三 第四 第五次评估报告中

每次都对这个图做了丰富

如果你是一名感兴趣的科学家

你可以调出它的资料

你可以看到20多年以来

五次评估报告对于辐射强迫的认知是多么的快速

但是我们要承认

这里面还有不确定的东西

比如说我们给出了一个bar

这个东西表示说它有不确定性

我们还给出了一个后面的这个方括号

比如说1.68 它是1.32到2.03

这个间距越大 说明不确定性越大

间距小 说明不确定性比较小

所以我们科学家的目的

我们科学家的使命就是要减少这一类的不确定性

从而增加它的信度。